响应面法优化预涂动态膜处理城镇污水研究

摘要/Abstract

摘要：

为优化预涂动态膜工艺处理城镇污水处理厂二级出水膜污染的主要运行条件，首先通过单因素实验研究了硅藻土平均粒径、跨膜压差及涂膜液质量浓度对动态膜形成过程中膜通量的影响规律；其次采用Box-Behnken Design二阶模型优化设计多因素实验，通过回归模型建立及方差分析，得出优化条件及模型预测值；最后验证在该优化运行条件下模型的可靠性。结果表明，硅藻土平均粒径与跨膜压差之间的交互作用显著，各因素对膜平均通量的影响顺序依次为涂膜液质量浓度>硅藻土平均粒径>跨膜压差；根据模型方程得出的优化运行条件为硅藻土平均粒径23.75 μm、跨膜压差0.08 MPa、涂膜液质量浓度0.39 g/L，膜平均通量达到36.85 L/（m²·h），与预测值的误差为0.94%。因此，采用响应面法优化预涂动态膜工艺处理城镇污水处理厂二级出水是切实可行的。

关键词: 预涂动态膜, 响应面法, 二级出水

Abstract:

It is aimed to achieve the mitigation of membrane pollution in secondary effluent of municipal wastewater treatment plants by optimizing the main operating conditions of precoating dynamic membrane process. Firstly，the effects of average particle size of diatomite，transmembrane pressure and coating solution mass concentration on membrane flux during dynamic membrane formation were conducted by single factor experiment，respectively. Secondly，the Box-Behnken Design second-order model was used to optimize the design of multi-factor experiments，and the optimal conditions and model predictive values were obtained by regression model establishment and variance analysis. Finally，the reliability of the model under this operating condition was verified. The results showed that average particle size of diatomite and transmembrane pressure had significant interaction effects on the response value. The effects of various factors on the average flux were as follows：coating solution mass concentration，average particle size of diatomite and transmembrane pressure. According to the model fitting equation，the optimal operating conditions were average particle size of diatomite 23.75 μm，transmembrane pressure 0.08 MPa and coating solution mass concentration 0.39 g/L，and the average membrane flux reached 36.85 L/（m²·h）. The relative error between actual and predicted values was 0.94%. Therefore，it was feasible to optimize the precoated dynamic membrane process for secondary effluent treatment of municipal wastewater by response surface methodology.

Key words: precoated dynamic membrane, response surface method, secondary effluent

中图分类号:

X703.1

杨东豫, 李济源. 响应面法优化预涂动态膜处理城镇污水研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(6): 111-116.

Dongyu YANG, Jiyuan LI. Optimization of precoated dynamic membrane for municipal wastewater based on response surface methodology[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(6): 111-116.

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链接本文: https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I6/111

图/表 10

图1 预涂动态膜装置实验示意

Fig. 1 Schematic diagram of precoated dynamic membrane experiment

表1 Box-Behnken实验设计的因素与水平

Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experimental design

水平	因素
水平	硅藻土平均粒径X ₁/μm	跨膜压差X ₂/MPa	涂膜液质量浓度X ₃/（g·L^-1）
-1	12.6	0.06	0.2
0	24.5	0.08	0.4
1	36.4	0.10	0.6

图2 硅藻土平均粒径对膜通量的影响

Fig. 2 Effect of average particle size of diatomite on membrane flux

图3 跨膜压差对膜通量的影响

Fig. 3 Effect of transmembrane pressure on membrane flux

图4 涂膜液质量浓度对膜通量的影响

Fig. 4 Effect of coating solution mass concentration on membrane flux

表2 响应面模型的实验结果

Table 2 The experimental results of response surface model

实验编号	因素			响应值
实验编号	硅藻土平均粒径X ₁	跨膜压差X ₂	涂膜液质量浓度X ₃	膜平均通量/（L·m^-2·h^-1）
1	-1	1	0	24.11
2	-1	0	-1	21.03
3	1	0	-1	21.25
4	0	-1	1	22.21
5	0	0	0	37.11
6	0	0	0	37.14
7	0	-1	-1	21.16
8	-1	0	1	17.21
9	0	0	0	37.12
10	-1	-1	0	28.87
11	1	0	1	17.04
12	1	-1	0	22.39
13	0	1	1	19.87
14	0	0	0	37.12
15	0	0	0	37.13
16	0	1	-1	22.03
17	1	1	0	24.12

表3 响应面模型的方差分析

Table 3 Variance analysis of response surface model

项目	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	930.01	9	103.33	62.33	<0.000 1
X ₁	5.15	1	5.15	3.11	0.121 3
X ₂	2.53	1	2.53	1.53	0.256 4
X ₃	10.44	1	10.44	6.30	0.040 4
X ₁ X ₂	10.53	1	10.53	6.35	0.039 8
X ₁ X ₃	0.038	1	0.038	0.023	0.883 9
X ₂ X ₃	2.58	1	2.58	1.55	0.252 7
X ₁ ²	219.38	1	219.38	132.34	<0.000 1
X ₂ ²	106.67	1	106.67	64.34	<0.000 1
X ₃ ²	488.69	1	488.69	294.79	<0.000 1
残差	11.60	7	1.66	—	—
失拟项	11.60	3	3.87	29 753.33	<0.000 1

图5 硅藻土平均粒径和跨膜压差的三维响应面与等高线图

Fig. 5 3D response surface and contour map of average particle size of diatomite and transmembrane pressure

图6 硅藻土平均粒径和涂膜液质量浓度的三维响应面与等高线图

Fig. 6 3D response surface and contour map of average particle size of diatomite and coating solution mass concentration

图7 涂膜液质量浓度和跨膜压差的三维响应面与等高线图

Fig. 7 3D response surface and contour map of coating solution mass concentration and transmembrane pressure

参考文献 12

1	闻豪，凌晓. 微絮凝对超滤膜处理城市污水的影响［J］. 工业水处理，2021，41（11）：84-88. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0171
	WEN Hao， LING Xiao. Influences of micro-flocculation on treatment of municipal wastewater by ultrafiltration membrane［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（11）：84-88. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0171
2	罗辉辉，余龙，翟娟，等. 超声波协同超滤技术处理油田污水的研究与应用［J］. 工业水处理，2020，40（6）：51-55. doi:10.11894/iwt.2019-0530
	LUO Huihui， YU Long， ZHAI Juan，et al. Study on the combined ultrasonic-ultrafiltration technology for treating oilfield wastewater and its application［J］. Industrial Water Treatment，2020，40（6）：51-55. doi:10.11894/iwt.2019-0530
3	YOO S S， CHU K H， CHOI I H，et al. Operating cost reduction of UF membrane filtration process for drinking water treatment attributed to chemical cleaning optimization［J］. Journal of Environmental Management，2018，206：1126-1134. doi:10.1016/j.jenvman.2017.02.072
4	白鹤，林亚凯，李宁宁，等. 面向市政污水深度处理用压力式超滤膜组件的设计与运行参数优化研究［J］. 膜科学与技术，2021，41（5）：146-154.
	BAI He， LIN Yakai， LI Ningning，et al. Optimization of design and operation parameters for pressurized ultrafiltration membrane modules in advanced municipal wastewater treatment［J］. Membrane Science and Technology，2021，41（5）：146-154.
5	CHU Huaqiang， CAO Dawen， DONG Bingzhi，et al. Bio-diatomite dynamic membrane reactor for micro-polluted surface water treatment［J］. Water Research，2010，44（5）：1573-1579. doi:10.1016/j.watres.2009.11.006
6	李璇，马延强，曹达文，等. 硅藻土预涂动态膜的错流过滤研究［J］. 中国给水排水，2011，27（5）：36-39.
	LI Xuan， MA Yanqiang， CAO Dawen，et al. Diatomite precoated dynamic membrane with crossflow filtration［J］. China Water ＆ Wastewater，2011，27（5）：36-39.
7	白永刚，涂勇，刘伟京，等. 预涂膜工艺应用于超滤膜系统［J］. 环境科学研究，2014，27（7）：763-767.
	BAI Yonggang， TU Yong， LIU Weijing，et al. Study of pre-coating film process applied on ultrafiltration membrane system［J］. Research of Environmental Sciences，2014，27（7）：763-767.
8	李俊，奚旦立，石勇. 动态膜处理污水时阻力分布及污染机理［J］. 化工学报，2008，59（9）：2309-2315. doi:10.3321/j.issn:0438-1157.2008.09.025
	LI Jun， XI Danli， SHI Yong. Resistance distribution and fouling mechanism of dynamic membrane in wastewater treatment［J］. Journal of Chemical Industry and Engineering（China），2008，59（9）：2309-2315. doi:10.3321/j.issn:0438-1157.2008.09.025
9	BLAKE N J， CUMMING I W， STREAT M. Prediction of steady state crossflow filtration using a force balance model［J］. Journal of Membrane Science，1992，68（3）：205-215. doi:10.1016/0376-7388(92)85022-b
10	TONG Juan， CHEN Yinguang. Recovery of nitrogen and phosphorus from alkaline fermentation liquid of waste activated sludge and application of the fermentation liquid to promote biological municipal wastewater treatment［J］. Water Research，2009，43（12）：2969-2976. doi:10.1016/j.watres.2009.04.015
11	AKKAYA G K， ERKAN H S， SEKMAN E，et al. Modeling and optimizing Fenton and electro-Fenton processes for dairy wastewater treatment using response surface methodology［J］. International Journal of Environmental Science and Technology，2019，16（5）：2343-2358. doi:10.1007/s13762-018-1846-0
12	陈兰煊，杨阳，易翠平. 籼米中淀粉粒结合蛋白的分离鉴定及提取工艺优化［J］. 食品科学，2018，39（20）：240-245.
	CHEN Lanxuan， YANG Yang， YI Cuiping. Isolation and identification of starch granule-associated proteins（SGAPs） from indica rice［J］. Food Science，2018，39（20）：240-245.

[1]	谢亮, 石姝彤, 郑帅, 吴隽玮, 孙鑫格, 张琦, 杨萍萍, 曾玉彬. 高温超稠油采出水的电絮凝实验及机理分析[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 101-110.
[2]	王炜, 徐斌, 吴玮, 吴兵党, 甘永海, 崔益斌. 淤泥基免烧材料的制备及磷吸附机理研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 77-85.
[3]	陈用泷, 方伟, 李思阳, 骆其金, 谢刚, 吴泽璇, 王艺霖, 黎京士. 响应面法优化零价铁活化过硫酸盐处理酱香型白酒废水[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 119-125.
[4]	袁可, 李瑞鹏, 单文澜. 响应面法优化焦化废水生化尾水混凝药剂投加量研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 157-161.
[5]	李兆阳, 姚庆林, 张浩, 李诚, 顾悦, 王少坡. 三维电极氧化处理污水厂二级出水中试研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(8): 159-164.
[6]	高雅, 梁栋, 常欢, 何佩霖, 刘新. 中药通草渣对水中亚甲基蓝吸附效能与机理的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(4): 121-129.
[7]	唐维, 王全红, 刘永红, 王宁, 贺超. 响应面法优化TiO₂/ACF光催化连续处理ARB废水研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(9): 79-86.
[8]	邱晓鹏, 李显鹏, 王佳琪, 张耀中, 武桦, 郑兴. 典型突发事件对二级出水超滤膜污染的影响研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(9): 8-13.
[9]	刘宏, 陈猛, 张鹏, 杨留留, 陈厚望, 王利刚. 响应面优化氧化锌催化超声降解十二烷基苯磺酸钠[J]. 工业水处理, 2022, 42(8): 149-156.
[10]	宋吉娜, 王君成, 岳雯. 二级出水溶解性有机物与铝盐混凝剂反应特性研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(7): 95-100.
[11]	李诚, 张浩, 顾悦, 王少坡. 电催化氧化深度处理污水厂二级出水中试研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(4): 113-118.
[12]	张鹏,刘宏,陈厚望,叶仕青,陈猛,杨留留. 响应曲面法优化树脂吸附2-氨基-4-乙酰氨基苯甲醚[J]. 工业水处理, 2021, 41(6): 196-201.
[13]	卢贵玲,朱孟府,邓橙,李颖,刘红斌,马军. 响应面法优化过氧化氢强化水力空化去除双酚A[J]. 工业水处理, 2019, 39(8): 44-48.
[14]	李俊莉,张颖,李霁阳,任海晶,王晓晖. 响应面法优化改性咪唑啉磺酸盐季铵化反应条件[J]. 工业水处理, 2019, 39(7): 61-65.
[15]	宁欣强,潘倩,黄燕,任俊韬,何崇豪,张俊秋,唐棠. 剩余污泥蒸汽爆破处理工艺优化[J]. 工业水处理, 2019, 39(6): 18-21.

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